板管T型接頭自動化焊接工藝開發

陳經緯，樊亞斌，付 瑤，李辰生，趙 鋒

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

現代軌道車輛轉向架構架制造中碳鋼的使用占很大比例，而焊接技術是這些項目執行中需要攻克的核心技術之一，焊接質量直接影響列車的運行壽命、可靠性和安全性[1]，焊接缺陷的存在直接影響焊接質量，未焊透是焊接缺陷中危害較大的缺陷之一。造成此缺陷的重要原因之一就是焊接電流小，但是某些工件如果選用較大的焊接電流會使焊接的熱輸入量增加，從而引起較大的焊接應力與焊接變形，在降低產品整體性能的同時增加生產周期，不利于生產任務緊張的現狀。因此，需研究在不增加電流的前提下增加轉向架縱向梁與橫梁管連接焊縫的熔深，解決因焊縫根部未焊透造成返修的問題。針對此焊縫特點，本研究提出使用一種新的焊接工藝來實現自動化機械手在不增加電流的前提下通過發揮自動焊的優勢，增大了焊縫根部的熔深以滿足焊縫要求。

1 坡口情況及結構

焊縫形式示意如圖1所示。轉向架的縱向梁上蓋板與橫梁管連接直焊縫的接頭形式為對接接頭，坡口形式為12 HV，其中橫梁鋼管直徑D=185 mm，壁厚t1=15mm，材質為STKM13B（JISG3445-2006）；縱向梁立板板厚t2=12 mm，材質為S355J2W（EN10025-5），焊縫的探傷要求為100%UT+100%MT。此焊縫是轉向架構架中的重要承載部位，而轉向架構架是最重要的承載部件，起到傳遞縱向載荷、橫向載荷，支撐車體、制動器的作用，所以構架焊縫一旦出現開裂會導致整條焊縫迅速失效并損壞轉向架綜合功能，嚴重影響列車行車安全[2]。導致焊縫開裂的重要因素之一就是未焊透，未焊透會減小焊縫的有效面積，從而降低轉向架構架局部的強度。

圖1 焊縫形式示意

2 焊接缺陷產生原因

根據超聲波探傷結果和打磨觀察焊縫缺陷位置，以及對缺陷位置所處位置深度進行現場統計得知，焊接缺陷大多發生在焊縫根部靠近橫梁鋼管一側。造成此種缺陷的原因如下：

（1）焊接電流小，熱量不足以使焊縫達到理想熔深；電弧不穩定，造成未焊透、熔深不足的焊接缺陷產生。

（2）此處焊縫為管板連接焊縫，焊縫一側是壁厚15mm的鋼管，另一側為板厚12mm的鋼板。焊縫兩側焊接材料的材質、形狀、板厚均不同，所以散熱速度也不相同，影響熔深。

（3）轉向架橫梁組成中橫梁管與縱向梁的連接焊縫的焊接位置不利于增加熔深。

3 焊接實施過程

3.1 優化焊槍行走角度

焊槍行走角為焊槍與行走方向之間的角度。工作角為焊槍與焊縫垂直方向的角度。焊槍的行走角度對焊道的形狀和熔深起著決定性影響[3]，這種影響甚至大于電弧電壓或焊接速度。當其他焊接條件不變時，在平焊位置采用左焊法（即拉弧焊接）時，熔池被電弧吹力吹向后方，因此電弧能直接作用到母材上，獲得較大的熔深，焊道變為窄而凸起，電弧較穩定、飛濺較小[4]。但是手工進行左焊法焊接有一定困難，因為該焊接法不利于操作者在手持焊槍焊接時實時觀察焊縫熔池。而自動焊則沒有這個困難，完全可以采用拉弧焊法進行焊接。拉弧焊示意如圖2所示，通過觀察試件焊接過程以及分析超聲波檢測結果，總結出行走角為75°時焊縫既能得到較大的熔深又可實現良好的熔池保護。

圖2 拉弧焊示意

3.2 改變焊接位置

焊縫根部和層道間熔合決定著整個焊縫的成敗，而焊接位置不但是保證層道熔合焊接質量的重要因素之一，而且對焊縫根部熔深也有重要影響。綜合考慮焊縫的空間位置和機械手可達位置，決定將變位機E2軸旋轉一定角度后，使工件沿著焊接方向一側大約挑起10°。變位機E1軸在焊接4層時分別轉動不同的角度，這樣可保證此焊縫在焊接每層焊縫時都是絕對PA位置，也提高了焊接質量。

3.2.1 爬坡式焊接

上坡焊對焊道余高形狀和熔深大小也存在一定影響，由于重力作用造成焊接熔池金屬向后流并落在電弧后面。電弧可以直接加熱母材金屬，增大焊縫熔深，同時熔池兩側的液體金屬向中心集中。隨著傾角的增加，影響進一步加強，使得焊縫的熔深和余高都增大，而熔寬減小。但是上坡的角度不能太大，否則會造成鐵水過于滯后引起未熔合的缺陷產生。“爬坡式”傾斜角度示意如圖3所示，將橫梁整體傾斜10°進行焊接既能增加熔深，又不會造成焊接缺陷的產生。

3.2.2 逐層定制焊接位置

由于本研究中的板管T型接頭連接焊縫焊道為非對稱式結構，并且具有焊道寬的特征，若每層焊道間均采用相同工作角，則焊縫成形不良。因為焊接過程中鐵水多傾向于板一側，所以在編制焊接機器人程序時需要針對每層制訂不同的焊槍角度。每層采用不同的船型位置進行焊接，逐漸縮小橫梁組成平面與水平面夾角的角度。這種焊接方法既使焊縫根部熔合效果良好，又使蓋面層成形美觀，無缺陷產生。該方法需要使用焊接機器人的庫程序和樣板焊縫功能來控制完成焊接的編制。

圖3 “爬坡式”傾斜角度示意

3.3 特殊命令調整電弧形狀

焊接設備是IGM-K5機械手，配合福尼斯電焊機。焊接工藝參數主要包括電流、電壓、擺頻、擺高、擺寬等。考慮到增加電流會增加熱輸入量，從而導致焊接變形和焊接應力增加[5]。通過弧長修正和Dynamic兩個命令協調配合使用，以調整電弧形狀，將電弧的形狀由小傘狀調整為圓柱狀，增加電弧的沖擊力，進而達到增加熔深的目的。因為電弧形狀、焊接位置以及焊槍行走角度發生變化，所以焊接速度也必須隨之變化。通過試焊進行外觀和金相檢查得出改進前后參數對比如表1所示。

表1 改進前后參數對比

焊絲的干伸長與焊機的輸出電流相關。焊絲的熔化速度由電弧和電阻熱共同決定，焊絲熔化速度與焊絲干伸長成正比，即干伸長越長，焊絲熔化速度越快。為保證焊縫成形良好，在使用以上焊接參數時需保證干伸長在15±0.5 mm。

3.4 焊接過程層間溫度的控制

因為管板T型接頭焊縫的坡口形式并非完全對稱，而且兩邊板材和鋼管壁的厚度也不相同，所以控制好焊接過程中的層間溫度是焊接管板T型接頭焊縫的另一重要因素。層間溫度是指多道焊縫及母材在施焊下一焊道之前的瞬時溫度。層間溫度過高既會引起熱影響區晶粒粗大，降低焊縫強度及低溫沖擊韌性，還會使焊縫出現鐵水下墜情況。鐵水的下墜會造成電機吊架側單邊未熔的缺陷，使橫梁管一側出現咬邊缺陷。

經過多次試焊總結得出連續焊接完后需要隔幾分鐘，當溫度降到250℃以下才能進行第一層填充層焊接；第二層填充層焊接完后還需再等15 min，溫度降到200℃以下才能進行蓋面層焊接。這樣方能有效地控制鐵水的下墜情況，避免產生焊接缺陷。

4 結論

（1）自動化編程時使用降低弧長修正和Dynamic功能，使電弧形狀由小傘狀改為圓柱狀，增加電弧的沖擊力，可獲得更大的熔深。

（2）自動化機械手采用左焊法即拉弧焊進行焊接時可獲得更大的熔深。

（3）將工件沿著焊接方向一側抬起10°，上坡焊比工件與焊槍平行時可獲得更大的熔深。

（4）焊接過程中的4層焊道采用不同的船型角度進行焊接可獲得更大的熔深。

參考文獻：

[1]羅雪梅.16MnR焊接接頭顯微結構，硬度和扭轉疲勞特性研究[D].天津：天津大學，2008.

[2]孔凡國，吳冠霖.基于PRO/E的廣州地鐵3號線動車轉向架構架建模及分析[J].制造業自動化，2014，36（12）：79-83.

[3]彭擁兵，秦文渝.全自動富氬氣體保護焊工藝試驗[J].水力發電，2003（10）：84-86.

[4]陳彩俠.不銹鋼實心焊絲MAG焊試驗總結[R].河北：中國石油化工股份有限公司，2005.

[5]曾陽.船體板架結構焊接變形預測控制及影響因素研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學，2015.